Ao mover móveis, objetos pesados ​​são mais fáceis de mover se você os girar enquanto os empurra. Muitas pessoas intuitivamente fazem isso. Uma equipe de pesquisa internacional de Konstanz (Alemanha), Trieste e Milão (Itália) investigou agora em escala microscópica a redução do atrito estático causado pela rotação simultânea.
Em seu estudo recente, a ser publicado na Physical Review X em 15 de junho, os pesquisadores descobriram que a redução no atrito estático de um objeto microscópico em uma superfície cristalina pode ser descrita por padrões moiré, que ocorrem quando padrões periódicos se sobrepõem. Com base nesse conceito, os pesquisadores prevêem um estado incomum, no qual objetos microscópicos podem ser colocados em rotação aplicando uma quantidade mínima de torque. No futuro, isso poderá possibilitar a construção de micromáquinas com atrito estático ultrabaixo contra rotação.

Colocando objetos em movimento

Para colocar um objeto em movimento, é preciso empurrá-lo para superar seu atrito estático com a superfície subjacente. Isso vale mesmo que as superfícies de contato sejam muito lisas. A experiência diária nos ensina que o atrito estático é muito menor quando o objeto não é apenas empurrado, mas girado simultaneamente. Embora estudiosos renomados, como Leonardo da Vinci, já tenham estudado fenômenos de atrito há mais de 500 anos, a relação entre forças de atrito estático e torques ainda não é totalmente compreendida. Isso é bastante notável, dado que o atrito rotacional se origina da mesma interação entre um objeto e a superfície subjacente que o atrito translacional bem explorado.

A complexa relação entre o atrito estático translacional e rotacional torna-se ainda mais intrigante na escala microscópica, onde os contatos planos envolvem apenas algumas centenas a alguns milhares de átomos. "Por exemplo, esses microcontatos ocorrem em pequenos dispositivos mecânicos - conhecidos como sistemas microeletromecânicos (MEMS) - cujo comportamento é dominado por efeitos de atrito", diz o professor Clemens Bechinger, chefe da equipe de pesquisa e professor de física experimental da Universidade Universidade de Konstanz, fornecendo um exemplo de onde os efeitos de atrito desempenham um papel importante na escala microscópica. O atrito rotacional e sua interação com o atrito translacional para esses pequenos contatos permaneceram bastante inexplorados, porque é tecnicamente muito desafiador aplicar torques bem controlados a objetos giratórios em microescala.

Padrões moiré são a chave

Em seu estudo recente - combinando abordagens experimentais e teóricas - os pesquisadores de Konstanz, Trieste e Milan superaram esse desafio e investigaram o atrito rotacional e sua interação com o atrito translacional para contatos microscópicos. "Para nossos experimentos, criamos aglomerados cristalinos feitos de esferas magnéticas do tamanho de mícrons e os colocamos em contato com uma superfície estruturada com poços regularmente repetidos", Dr. Xin Cao, um dos principais autores do estudo e Humboldt Fellow no trabalho grupo de Clemens Bechinger, descreve o ponto de partida dos experimentos. Ele continua:"Esta configuração imita a área de contato entre duas superfícies atomicamente planas".

Os aglomerados bidimensionais - com contatos na superfície consistindo de 10 a 1.000 partículas esféricas - foram então colocados em movimento rotacional usando um campo magnético rotativo altamente controlável. O torque mínimo necessário para fazer girar o respectivo cluster corresponde ao atrito rotacional estático, semelhante ao atrito translacional estático, que caracteriza a força mínima necessária para alcançar um movimento de translação do cluster.

Em seu estudo, os pesquisadores descobriram que a interação do atrito rotacional e translacional pode ser entendida através das propriedades do que é conhecido como padrões moiré. Esses padrões surgem quando duas ou mais estruturas periódicas se sobrepõem. "Padrões de moiré óptico podem ser observados, por exemplo, quando uma cortina de malha fina enruga e camadas individuais da cortina se sobrepõem", explica a Dra. Andrea Silva, segunda autora principal do estudo e física da Escola Internacional de Estudos Avançados (SISSA ) em Trieste. “Os padrões resultantes são extremamente sensíveis a movimentos relativos minuciosos e exibem estruturas geométricas de nível superior que não estão presentes nas próprias estruturas sobrepostas”.

A vantagem da rotação simultânea

Voltando aos experimentos, Andrea Silva descreve:“O contato entre o aglomerado de partículas e a superfície subjacente em áreas onde as periodicidades na estrutura de ambos os objetos coincidem pode ser comparado a ovos em uma caixa de ovos”. Sem aplicar forças ou torques externos, essa área de sobreposição estrutural está no máximo, o que significa que um grande número de partículas do aglomerado está próximo ao fundo dos poços da superfície padronizada, resultando em alto atrito estático.

Quando uma força é aplicada ao aglomerado para empurrá-lo em uma direção específica, a área de sobreposição estrutural se desloca para a borda da área de contato. Como resultado, torna-se menor. No entanto, um grande número de partículas permanece "preso" nos poços do substrato, de modo que uma força comparativamente grande é necessária para superar a resistência do aglomerado contra o movimento e para desligá-lo do substrato. Se, por outro lado, o cluster for torcido com um torque, a área de sobreposição encolhe simetricamente. "Isso torna muito mais fácil empurrar o cluster e colocá-lo em movimento, uma vez que a área de sobreposição estrutural já foi significativamente reduzida pelo torque aplicado", diz Xin Cao, explicando como o empurrão e a rotação simultâneos reduzem o atrito estático.

Com base nas propriedades dos padrões de moiré observados, os físicos não só foram capazes de explicar por que a rotação adicional facilita a translação de objetos microscópicos, mas também de fazer previsões sobre a dependência do atrito estático contra rotações no tamanho do aglomerado:um certo limiar, o atrito estático contra as rotações diminui fortemente, resultando em um estado de atrito estático ultrabaixo para aglomerados muito grandes. "Esse estado de baixo atrito pode ser altamente relevante para a fabricação e funcionamento de pequenos dispositivos mecânicos - desde a escala atômica até a microescala - nos aproximando da realização de máquinas menores e mais eficientes", conclui Clemens Bechinger. + Explorar mais

Os limites de atrito